本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種短波紅外二極管及其形成方法。

背景技術(shù)：

短波紅外成像技術(shù)涵蓋700nm到約2500nm的波長(zhǎng)范圍，雖然人眼無(wú)法看到此波長(zhǎng)范圍的光線，但其仍以可見光范圍中相同的方式，即反射光或光子而不是輻射光子，從而與周圍物體相互作用。因此，短波紅外成像類似于可見光黑白成像，可產(chǎn)生對(duì)比度較高且易于識(shí)別的圖像，在光譜學(xué)、激光成像、微光成像、安全識(shí)別、遙感、夜視等方面具有重要的應(yīng)用前景。目前可商業(yè)應(yīng)用的短波紅外傳感器主要采用包括銦鎵砷化物作為光敏材料而形成的短波紅外二極管，通?？珊w900nm到1700nm的波長(zhǎng)范圍。

現(xiàn)有技術(shù)常以磷化銦(inp)晶片為襯底，采用金屬有機(jī)氣相沉積(mocvd)或分子束外延(mbe)等外延工藝在其上生長(zhǎng)高質(zhì)量的銦鎵砷(ingaas)膜層，進(jìn)而可制作完成的紅外光電二極管陣列，然后專門設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)成像功能的硅基讀出集成電路(roic)。但是，由于硅基與inp兩者之間工藝不相兼容，因此生產(chǎn)該芯片還需要形成將兩者封裝在一起的內(nèi)置突起(in-bump)等的三圍堆疊結(jié)構(gòu)。此外，ingaas的晶格尺寸與inp相近，可在inp上高質(zhì)量外延生長(zhǎng)，但inp晶片成本高昂，且晶片尺寸較?。煌瑫r(shí)，in-bump等封裝工藝使單個(gè)像素尺寸難以縮小，使得目前短波紅外成像芯片價(jià)格高昂且成像像素低、分辨率較差，限制了其推廣應(yīng)用。

因此，如何降低短波紅外二極管的成本是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的一個(gè)技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種短波紅外二極管及其形成方法，解決短波紅外二極管的成本較高的問題。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種短波紅外二極管，所述短波紅外二極管包括輔助成核層、緩沖層和銦鎵砷pn結(jié)，所述輔助成核層設(shè)置在襯底上用于誘導(dǎo)結(jié)晶，所述緩沖層設(shè)置在所述輔助成核層上，所述銦鎵砷pn結(jié)設(shè)置在所述緩沖成核層上。

可選的，在所述短波紅外二極管中，所述輔助成核層為氧化鉬層或鉬層，所述輔助成核層的厚度為1nm～50nm。

可選的，在所述短波紅外二極管中，所述緩沖層為磷化銦層，所述緩沖層的厚度為50nm～500nm。

可選的，在所述短波紅外二極管中，所述銦鎵砷pn結(jié)包括：銦鎵砷層以及位于所述銦鎵砷層上的磷化銦層，所述磷化銦層形成有pn結(jié)。

本發(fā)明還提供一種短波紅外二極管的形成方法，所述短波紅外二極管的形成方法包括：

在襯底上形成用于誘導(dǎo)結(jié)晶的輔助成核層；

在所述輔助成核層形成緩沖層；

在所述緩沖層上形成銦鎵砷pn結(jié)。

可選的，在所述短波紅外二極管的形成方法中，所述緩沖層的形成方法包括：

形成銦層，所述銦層進(jìn)行圖形化；

形成擴(kuò)散阻擋層，所述擴(kuò)散阻擋層覆蓋在圖形化后的所述銦層上；

進(jìn)行緩沖層形成工藝，使含磷氣體通過所述擴(kuò)散阻擋層與所述銦層反應(yīng)形成磷化銦層；

去除所述擴(kuò)散阻擋層。

可選的，在所述短波紅外二極管的形成方法中，所述擴(kuò)散阻擋層的材料包括氧化硅、氮化硅或氧化鋁，所述擴(kuò)斯阻擋層的厚度為0.5nm～5nm。

可選的，在所述短波紅外二極管的形成方法中，所述緩沖層形成工藝包括：反應(yīng)環(huán)境為磷烷與氫氣，反應(yīng)溫度為400℃～700℃。

可選的，在所述短波紅外二極管的形成方法中，所述銦化砷pn結(jié)的形成方法包括：

通過化學(xué)氣相外延形成銦鎵砷層；

在所述銦鎵砷層上形成pn結(jié)。

可選的，在所述短波紅外二極管的形成方法中，所述pn結(jié)包括p區(qū)和n區(qū)，所述n區(qū)通過化學(xué)氣相外延形成磷化銦層，所述p區(qū)通過二甲基鋅或二乙基鋅在所述磷化銦層中擴(kuò)散形成。

本發(fā)明提供的短波紅外二極管及其形成方法，所述短波紅外二極管具有輔助成核層和緩沖層，在輔助成核層的誘導(dǎo)結(jié)晶作用下可以適用于多種的襯底，再通過緩沖層生長(zhǎng)出銦鎵砷層，進(jìn)而可形成銦鎵砷pn結(jié)，由于輔助成核層以及緩沖層的作用使短波紅外二極管及其形成方式可以利用多種尺寸、多種材料的襯底，相比于成本較高的磷化銦(inp)襯底晶片，降低對(duì)襯底的要求，從而降低襯底晶片的成本，并能提高了短波紅外二極管產(chǎn)品的應(yīng)用設(shè)計(jì)的靈活性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的實(shí)施例的短波紅外二極管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的實(shí)施例的短波紅外二極管的形成方法的流程圖；

圖3a-3d為本發(fā)明的實(shí)施例的緩沖層的形成方法的示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，請(qǐng)參閱附圖。須知，本說(shuō)明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說(shuō)明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的限定條件，故不具技術(shù)上的實(shí)質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本發(fā)明所能產(chǎn)生的功效及所能達(dá)成的目的下，均應(yīng)仍落在本發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容得能涵蓋的范圍內(nèi)。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種短波紅外二極管，所述短波紅外二極管包括輔助成核層20、緩沖層30和銦鎵砷pn結(jié)40，所述輔助成核層20設(shè)置在襯底10上用于誘導(dǎo)結(jié)晶，所述緩沖層30設(shè)置在所述輔助成核層20上，所述銦鎵砷pn40結(jié)設(shè)置在所述緩沖層30上。

在本實(shí)施例中，所述輔助成核層20為氧化鉬層或鉬層，輔助成核層20可以起到隔絕襯底與反應(yīng)物的作用，并能誘導(dǎo)結(jié)晶形成緩沖層，所述輔助成核層20的厚度為1nm～50nm。

在輔助成核層的基礎(chǔ)上，所述緩沖層30為磷化銦層，通過誘導(dǎo)結(jié)晶形成的磷化銦的晶向上形成后續(xù)的銦鎵砷層，起到緩沖的作用，所述緩沖層30的厚度為50nm～500nm。

所述銦鎵砷pn結(jié)40包括：銦鎵砷層以及位于所述銦鎵砷層上的磷化銦層，所述磷化銦層形成有pn結(jié)，例如，可由鋅摻雜的磷化銦層構(gòu)成的p區(qū)42，以及由磷化銦構(gòu)成的n區(qū)43，所述p區(qū)42和所述n區(qū)43位于銦鎵砷層41上，p區(qū)42和n區(qū)43上還可以形成歐姆接觸，將短波紅外二級(jí)管的電極引出，從而可實(shí)現(xiàn)電氣連接。

如圖2所示，本發(fā)明還提供一種短波紅外二極管的形成方法，所述短波紅外二極管的形成方法包括：

步驟s10、在襯底上形成用于誘導(dǎo)結(jié)晶的輔助成核層；

步驟s20、在所述輔助成核層上形成緩沖層；

步驟s30、在所述緩沖層上形成銦鎵砷pn結(jié)。

下面結(jié)合圖1所示更為詳細(xì)介紹本發(fā)明短波紅外二極管的形成方法的每一步驟。

首先，按照步驟s10，在襯底10上形成用于誘導(dǎo)結(jié)晶的輔助成核層20，輔助成核層20可采用沉積等方式形成在襯底上，輔助成核層20還可以起到隔絕襯底的作用，采用本發(fā)明的方法可以利用多種尺寸、多種材料襯底，降低對(duì)襯底的要求，可以適應(yīng)于硅或鍺的單晶襯底及非晶襯底，相比于現(xiàn)有技術(shù)中采用較貴的inp單晶襯底，可以減少成本，并可提高短波紅外二極管在具體運(yùn)用設(shè)計(jì)中的靈活性，例如，可與硅芯片集成及其它特殊應(yīng)用提供了可能。

其次，按照步驟s20，在所述輔助成核層20上形成緩沖層30，通過誘導(dǎo)結(jié)晶后形成的緩沖層30可用于外延生長(zhǎng)銦鎵砷層。

在本實(shí)施例中，如圖3a-3d所示，所述緩沖層的形成方法包括：

在輔助成核層20上形成銦層101，對(duì)所述銦層101進(jìn)行圖形化，圖形化可采用光刻技術(shù)得到所需要的銦層圖形設(shè)計(jì)；

形成擴(kuò)散阻擋層102，所述擴(kuò)散阻擋層102覆蓋在圖形化后的所述銦層101上，即擴(kuò)散阻擋層102包裹銦層101；

進(jìn)行緩沖層形成工藝，使含磷氣體通過所述擴(kuò)散阻擋層102與所述銦層101反應(yīng)形成磷化銦103，由于擴(kuò)散阻擋層102包裹銦層101，只有極少的磷烷可以通過擴(kuò)散阻擋層102形成的最薄弱的路徑與銦層接觸然后成核，最薄弱的路徑是指擴(kuò)散阻擋層102形成包裹時(shí)與外界最容易接觸的位置點(diǎn)，之后磷烷會(huì)在該位置點(diǎn)不斷穿過，并從該成核處向周圍單晶外延，如圖3c至3d中磷化銦103完成進(jìn)一步增長(zhǎng)，可形成單晶的薄膜，最后可形成整個(gè)一塊圖形是單晶狀態(tài)的磷化銦層，從而可得到高質(zhì)量的磷化銦單晶層；

通過刻蝕可去除所述擴(kuò)散阻擋層102，暴露出磷化銦層，即完成緩沖層的形成。

可選的，所述擴(kuò)散阻擋層102包括氧化硅、氮化硅或氧化鋁，所述擴(kuò)散阻擋層102的厚度為0.5nm～5nm，對(duì)于不同的緩沖層圖形復(fù)雜程度以及不同產(chǎn)品工藝的需要，可對(duì)應(yīng)選擇不同的材料及厚度。

可選的，所述緩沖層形成工藝包括：反應(yīng)環(huán)境為磷烷與氫氣，反應(yīng)溫度為400℃～700℃，氫氣可作為氛圍氣體，磷烷可提供反應(yīng)所需的磷元素(如圖3c和圖3d中的氣體圖示)，通過在一定的溫度環(huán)境下使銦熔融，由于輔助成核層可將襯底隔絕開，可避免襯底晶向影響到形成的磷化銦層，即單晶襯底或非晶襯底均可選用，進(jìn)而在低壓爐管中完成反應(yīng)生成磷化銦單晶層，并能通過控制反應(yīng)溫度和氣氛的比例、流量及后續(xù)退火條件等可控制生成inp薄膜的晶向。

然后，按照步驟s30，在所述緩沖層30上形成銦鎵砷pn結(jié)40，制作出短波紅外二極管。

在本實(shí)施例中，所述銦鎵砷pn結(jié)40的形成方法包括：

在緩沖層30上通過化學(xué)氣相外延形成銦鎵砷層41，由于形成了高質(zhì)量的已圖形化的磷化銦單晶層，從而可較佳的外延生長(zhǎng)出銦鎵砷層；

在所述銦鎵砷層上形成二極管的pn結(jié)結(jié)構(gòu)。

在本實(shí)施例中，所述pn結(jié)包括p區(qū)42和n區(qū)43，所述n區(qū)43通過化學(xué)氣相外延形成磷化銦層，氣源包括但不限于三甲基銦和磷烷，形成n型摻雜區(qū)，所述p區(qū)42通過二甲基鋅或二乙基鋅在所述磷化銦中擴(kuò)散形成，通過鋅元素?fù)诫s形成p型摻雜區(qū)，以二甲基鋅或二乙基鋅作為摻雜擴(kuò)散源。在具體的實(shí)施方式中，在銦鎵砷層上可通過化學(xué)氣相外延先形成n型的n區(qū)43的磷化銦層，再通過鋅元素?fù)诫s得到p型的p區(qū)42，并可在p區(qū)和n區(qū)上可形成歐姆接觸，將短波紅外二級(jí)管的電極引出，從而可實(shí)現(xiàn)電氣連接，此外還可以在銦鎵砷pn結(jié)上形成鈍化層來(lái)起到保護(hù)作用。

本發(fā)明提供的短波紅外二極管及其形成方法，所述短波紅外二極管具有輔助成核層和緩沖層，在輔助成核層的誘導(dǎo)結(jié)晶作用下可以適用于多種的襯底，再通過緩沖層生長(zhǎng)出銦鎵砷層，進(jìn)而可形成銦鎵砷pn結(jié)，由于輔助成核層以及緩沖層的作用使短波紅外二極管及其形成方式可以利用多種尺寸、多種材料的襯底，相比于成本較高的磷化銦襯底晶片，降低對(duì)襯底的要求，從而降低襯底晶片的成本，并能提高了短波紅外二極管產(chǎn)品的應(yīng)用設(shè)計(jì)的靈活性。

上述描述僅是對(duì)本發(fā)明較佳實(shí)施例的描述，并非對(duì)本發(fā)明范圍的任何限定，本發(fā)明領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)上述揭示內(nèi)容做的任何變更、修飾，均屬于權(quán)利要求書的保護(hù)范圍。